離子束輔助磁控濺射沉積CrNx薄膜構(gòu)造以及力學(xué)性能分析

離子束輔助磁控濺射沉積CrNx薄膜構(gòu)造以及力學(xué)性能分析采用離子束輔助磁控濺射工藝制備CrNx薄膜，研究了不同氮?dú)饬髁肯卤∧の⒂^形貌，組織構(gòu)造以及力學(xué)性能的變化。采用臺(tái)階儀測(cè)量薄膜的厚度，采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、掃描探針顯微鏡、X射線衍射儀測(cè)試薄膜的表面形貌特征以及組織構(gòu)造，采用納米壓痕儀測(cè)試薄膜的硬度以及彈性模量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，隨氮?dú)饬髁吭黾?，薄膜沉積速率先降低后保持穩(wěn)定，粗糙度先減小后增加，相組成由Cr2N相轉(zhuǎn)變?yōu)镃rN相，硬度、彈性模量先增加后降低。由于Ar離子束的輔助轟擊以及N離子的高反應(yīng)活性，在氮?dú)饬髁繛?0ml/min時(shí)，獲得了構(gòu)造致密，表面光滑，晶粒細(xì)小，相組成為Cr2N的力學(xué)性能優(yōu)異的薄膜。

CrNx涂層具有較高的硬度、韌性和抗高溫氧化性能，同時(shí)與TiN涂層相比，摩擦系數(shù)更低且耐蝕性更好，具有良好的耐磨性和耐沖擊性，鍍?cè)诨w表面能夠增加其抗磨損性能，用在工模具表面，切削工具表面能夠延長其使用壽命。陰極電弧離子鍍具有靶材離化率高，膜基結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，然而沉積過程中會(huì)產(chǎn)生很多大顆粒，對(duì)薄膜的表面粗糙度產(chǎn)生影響;磁控濺射具有成膜粗糙度小，無大顆粒，光滑均勻的特點(diǎn)，然而反應(yīng)磁控濺射無論是反應(yīng)氣體還是金屬靶材的離化率都不高，獲得的薄膜往往孔洞和缺陷較多，構(gòu)造不致密，硬度不高。離子束輔助磁控濺射在普通磁控濺射的根底上，成膜過程中薄膜能夠同時(shí)受到離子束的轟擊，大大增強(qiáng)了薄膜構(gòu)造的致密性，從而提高薄膜性能。

本文采用離子束輔助磁控濺射制備CrNx薄膜，研究了不同氮?dú)饬髁肯卤∧さ奈⑿蚊?、組織構(gòu)造以及硬度、彈性模量的變化，分析了離子束輔助對(duì)反應(yīng)磁控濺射沉積CrNx薄膜的影響。1、實(shí)驗(yàn)

1.1、試樣制備

大面積離子束混合磁控濺射鍍膜機(jī)，靶材金屬鉻靶，硅片玻璃。將基片清洗后夾具固定于爐腔中，真空度3×10-3Pa，向爐內(nèi)通入一定量的Ar氣，線性離子束，同時(shí)向基材加100V的脈沖負(fù)偏壓，脈沖電源的頻率為350KHz，占空比為61.4%。開始鍍膜前先對(duì)靶材表面開展自清洗，待濺射電壓穩(wěn)定后，打開擋板開始鍍膜。鍍膜過程中，分別以65B5，60B10，55B15，50B20四種比例通入Ar與N2，其中N2從線性離子源通入，Ar一部分從磁控濺射源通入，一部分從線性離子源通入，開啟線性離子源以及磁控濺射源所連接電源開展實(shí)驗(yàn)，磁控濺射電源為直流電源，制備薄膜過程中電流為3A，線性離子源電流為0.5A，采用直流脈沖偏壓電源向基材施加100V的負(fù)偏壓，鍍膜時(shí)間為40min。

1.2、性能測(cè)試

薄膜厚度測(cè)試采用美國辛耘科技工程公司Alpha-StepIQ臺(tái)階儀;薄膜表面和截面的微觀形貌通過日立公司S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)開展觀察;薄膜表面的三圍形貌以及粗糙度采用美國Veeco公司Dimension3100V掃描探針顯微鏡(SPM)開展觀察和測(cè)量;薄膜的相組成采用德國布魯克公司D8AdvanceX射線衍射(XRD)儀測(cè)試;采用美國MTS公司NANOG200納米壓痕儀測(cè)試。2、結(jié)果與討論

圖1為不同氮?dú)饬髁肯卤∧さ暮穸纫约俺练e速率變化，結(jié)果說明，當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁繛?ml/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))時(shí)，薄膜的厚度最大，沉積速率最快，氮?dú)饬髁吭黾拥?0ml/min及以上時(shí)，膜厚無明顯差異，沉積速率基本維持恒定。造成上述現(xiàn)象的原因是由于當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁枯^低時(shí)，薄膜沉積以金屬模式為主，因此沉積速率較快，氮?dú)饬髁吭黾雍?，成膜方式由金屬模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)模式，沉積速率下降，隨氮?dú)饬髁坷^續(xù)增加，薄膜沉積速率未出現(xiàn)持續(xù)大幅度下降，說明未發(fā)生靶中毒。本文中鍍膜設(shè)備中的氮?dú)馔ㄟ^離子源引入，并被離化，氮?dú)馔ㄈ胛恢门c濺射源有一定的距離，同時(shí)氮離子在基體負(fù)偏壓的吸引作用下，能夠有效的在基片附近參與反應(yīng)并沉積在基片上，有效的防止了氮?dú)庠诎斜砻娣磻?yīng)造成靶中毒。

圖1不同氮?dú)饬髁肯卤∧さ哪ず窦俺练e速率3、結(jié)論

采用離子束輔助磁控濺射工藝制備CrNx薄膜，研究了不同氮?dú)饬髁肯卤∧こ练e速率，微觀形貌，組織構(gòu)造以及力學(xué)性能的變化。隨氮?dú)饬髁吭黾樱∧こ练e速率先降低后保持穩(wěn)定，粗糙度先減小后增加，相組成由Cr2N相轉(zhuǎn)變?yōu)镃rN相，硬度、彈性模量及抵抗塑性變形的能力先增加后降低。在離子束輔助沉積的作